Скорость оптического излучения в среде с' зависит от показателя преломления среды n, различного
для разных частот v излучения (Дисперсия оптического излучения):
. Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой
скорости оптического излучения в среде, если речь идёт не о монохроматич. свете
(для скорости оптического излучения в вакууме эти две величины совпадают). Экспериментально определяя
с', всегда измеряют групповую скорость оптического излучения либо т. н. с к о р о с т ь сигнала,
или скорость передачи энергии, только в нек-рых спец. случаях не равную
групповой.
Впервые скорость оптического излучения определил в 1676 О. К. Рёмер (О. Ch. Roemer) по изменению
промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 её установил
Дж. Брадлей (J. Bradley), исходя из своих наблюдений аберрации оптического излучения звёзд.
В 1849 А. И. Л. Физо (А. Н. L. Fizeau) первым измерил скорость оптического излучения по времени
прохождения светом точно известного расстояния (базы); т. к. показатель
преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают
величину, весьма близкую к скорость оптического излучения в вакууме. В опыте
Физо пучок оптического излучения от источника S (рис. 1), отражённый полупрозрачным зеркалом N, периодически
прерывался вращающимся зубчатым диском W, проходил базу MN
(ок. 8 км) н, отразившись от зеркала М, возвращался к диску. Попадая
на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами
свет можно было наблюдать через окуляр Е. По известным скоростям
вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил
значение с = 313300 км/с В 1862 Ж. Б. Л. Фуко (J. В. L. Foucault)
реализовал высказанную в 1838 идею Д. Араго (D. Arago), применив вместо
зубчатого диска быстровращающееся (512 об/с) зеркало. Отражаясь от зеркала,
пучок оптического излучения направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на это же
зеркало, успевшее повернуться на нек-рый малый угол (рис. 2). При базе
всего в 20 м Фуко нашёл, что скорость оптического излучения равна 298000
500 км/с. Схемы и осн. идеи опытов Физо и Фуко были многократно использованы
в последующих работах по определению скорости оптического излучения. Полученное А. Майкельсоном (A.
Michelson) (см. Майкельсона опыт)в 1926 значение
км/с было тогда самым точным и вошло в интернац. таблицы физ. величин.
Рис. 1. Определение скорости оптического излучения методом Физо.
Рис. 2. Определение скорости оптического излучения методом вращающегося зеркала (методом Фуко): S - источник оптического излучения; R - быстровращающееся зеркало; С - неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения Я (поэтому свет, отражённый С, всегда попадает обратно на R); М-полупрозрачное зеркало; L - объектив; Е - окуляр; RС - точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RС и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отражённый пучок в точке S', а не вновь в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале Л. Скорость оптического излучения устанавливают, измеряя смещение SS'.
Измерения скорости оптического излучения в XIX веке сыграли большую роль в
физике, дополнительно подтвердив волновую теорию оптического излучения.
Выполненное Фуко в 1850 сравнение скорости оптического излучения одной и той же
частоты v в воздухе и воде показало, что скорость в воде
в соответствии с предсказанием волновой теории. Была также установлена
связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная скорости оптического излучения
совпала со скоростью эл--магн. волн, вычисленной из отношения эл--магн. и эл--статич. единиц
электрич. заряда [опыты В. Вебера (W. Weber) и Ф. Кольрауша (F. Kohlrausch)
в 1856 и последующие более точные измерения Дж. К. Максвелла (J. С. Maxwell)].
Это совпадение явилось одним из отправных пунктов при создании Максвеллом
в 1864-73 эл--магн. теории оптического излучения.
В совр. измерениях скорости оптического излучения используется модернизиров. метод Физо (модуляц.
метод) с заменой зубчатого колеса на эл--оптич., дифракц., интерференционный
или к--л. иной модулятор оптического излучения, полностью прерывающий или ослабляющий световой
пучок (см. Модуляция оптического излучения ).Приёмником излучения служит фотоэлемент
пли фотоэлектронный умножитель .Применение лазера в качестве
источника оптического излучения, УЗ-модулятора со стабилизиров. частотой и повышение точности
измерения длины базы позволили снизить погрешности измерений и получить
значение
км/с. Помимо прямых измерений скорости оптического излучения по времени прохождения известной базы,
широко применяются косвенные методы, дающие большую точность. Так, с помощью
микроволнового вакуумиров. резонатора [К. Фрум (К. Froome), 1958] при длине
волны излучения
= 4 см получено значение
км/с. С ещё меньшей погрешностью определяется скорость оптического излучения как частное от деления
независимо найденных
и v атомарных или молекулярных спектральных линий. К. Ивенсон (К.
Evenson) и его сотрудники в 1972 по цезиевому стандарту частоты (см. Квантовые
стандарты частоты)нашли с точностью до 11-го знака частоту излучения
СН4-лазера, а по криптоновому стандарту частоты - его длину
волны (ок. 3,39 мкм) и получили
± 0,8 м/с. Решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным
данным для науки и техники - КОДАТА (1973), проанализировавшей все имеющиеся
данные, их достоверность и погрешность, скорость оптического излучения в вакууме принято считать
равной 299792458 ±1,2 м/с.
Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретич. плане и для определения значении др. физ. величин, но и для практич. целей. К ним, в частности, относится определение расстояний по времени прохождения радио-или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии, в системах слежения ИСЗ и др.
А. М. Бонч-Бруевич
|
|
 |
